(57)【要約】【課題】交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、温度上昇の低減化をはかり、可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うことを目的とする。【解決手段】回転子にかご形又は巻線形導体を有する交流電動機の回転子表面に永久磁石を装着した回転子と、固定子鉄心と、該固定鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線より成る固定子巻線を具えた交流電動機において、固定子の磁極数に応じた数の円弧状又円筒形永久磁石にスキューを行い、該回転子の実質的に殆んど表面を覆うように円弧状又は円筒形永久磁石を装着して非突極機とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、
該回転子の表面に固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を該回転子の実質的に殆んどの表面を覆うように装着したことを特徴とする交流電動機。    
【請求項２】
前記実質的に殆んどの表面を覆うように装着した永久磁石を円弧状又は円筒形に構成しことを特徴とする前記請求項１に記載された交流電動機。    
【請求項３】
前記実質的に殆んどの表面を覆うように装着する永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、回転子に接着したことを特徴とする前記請求項１又は請求項２に記載された交流電動機。
【請求項４】
前記円弧状又は円筒形永久磁石がスキューしていることを特徴とする前記請求項１乃至３に記載の交流電動機。
【請求項５】
前記円弧状又は円筒形永久磁石を、該円弧状又は円筒形永久磁石の装着部分を予めカットした回転子鉄心を作成して、アルミニウムダイカストを行い、回転子表面に装着固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流電動機。
【請求項６】
交流電動機が、誘導電動機であることを特徴とする前記請求項１乃至請求項５に記載の交流電動機。
【請求項７】
交流電動機が、単相誘導電動機であることを特徴とする前記請求項１乃至請求項５に記載の交流電動機。
【請求項８】
交流電動機が、３相誘導電動機であることを特徴とする前記請求項１乃至請求項５に記載の交流電動機。
【請求項９】
交流電動機が、同期電動機であることを特徴とする前記請求項１乃至請求項５に記載の交流電動機。
【請求項１０】
固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、該回転子に実質的に殆んどの表面を覆うように固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を装着する交流電動機の製造方法において、該永久磁石を回転子表面に装着することを特徴とする交流電動機の回転子の製造方法。
【請求項１１】
前記永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、該永久磁石を回転子表面に接着することを特徴とする前記請求項１０に記載の交流電動機の回転子の製造方法。
【請求項１２】
固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、該回転子に実質的に殆んどの表面を覆うように固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を装着する交流電動機の製造方法において、該永久磁石を装着する部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作製し、アルミニウムダイカストを行い、該永久磁石を回転子表面に装着することを特徴とする交流電動機の回転子の製造方法。
【請求項１３】
前記永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、該永久磁石を回転子表面に接着することを特徴とする前記請求項１２に記載の交流電動機の回転子の製造方法。
【請求項１４】
前記円弧状又は円筒形永久磁石がスキューしていることを特徴とする前記請求項１０乃至請求項１３に記載の交流電動機の回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、温度上昇の低減化さらに可変速駆動および定速度駆動を円滑に行うために、かご形または巻線形導体を有する交流電動機の回転子の表面に 円弧状又は円筒形永久磁石を装着したことを特徴とする交流電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機の中には、誘導電動機のように負荷に応じてすべりを生じて回転し、回転子電流が流れてトルクが発生するので、電源周波数に同期した定速度駆動が不可能であり、回転子電流が流れて電力の損失となり、温度上昇の原因となる欠点があった。またブラシレスD Cモータは、回転する永久磁石の界磁極を利用しているので、誘導電動機のような回転子電流が不要となり効率が向上すると共に、定速度駆動が可能である。しかし位置検出のエンコーダや回転速度の検出が必要となり、駆動装置の構成が複雑となって高価となる欠点があった。
【０００３】
交流電動機である誘導電動機において、回転子内部に回転できるマグネットを設け、このマグネットは固定子で発生する回転磁界と同期しており、回転子とは別に回転するようにした誘導電動機が、提案されている。この回転子は回転磁界から遅れてすべりで回転する。回転子の導体と鎖交する磁束数はマグネットにより増加し、マグネット付のトルクがマグネットのない従来形誘導電動機に比較して、1.2倍に、また定格出力400Ｗでの効率が従来形電動機では77％であるが、マグネット付では、87％となり、10％の改善結果を得ている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】柴田・土田・今井：「回転マグネットを内蔵する高トルク誘導電動機」、電気学会論文誌Ｄ、115巻11号、1341頁−1346頁(平成7年)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、交流電動機において、かご形または巻線形を有する交流電動機の回転子表面に円弧状又は円筒形永久磁石を設けて非突極機とし、円弧状又は円筒形磁石にスキューを行って、コギングトルクの発生を低減化させるとともに、交流電動機の高効率化、高出力化、高トルク化、小型化、温度上昇の低減化をはかり、ブラシレスD Cモータで使用されている位置検出のエンコーダや回転速度の速度検出器を使用することなしに、高精度の定速度駆動および可変速駆動が行える安価な交流電動機を提供しようとするものである。また回転子導体には負荷変動に伴う速度の変動を抑制するダンパ効果が作用し、可変速駆動や定速度駆動の円滑な駆動を可能にしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのためにかご形回転子又は巻線形回転子を有する交流電動機の回転子の表面に、スキューした円弧状又は円筒形永久磁石を装着するために回転子の表面を切削加工するか、或いは予め円弧状又は円筒形永久磁石の装着部分をカットした回転子鉄心を作成して、アルミニウムダイカストを行い、スキューした円弧状又は円筒形永久磁石を回転子表面に装着することにより、高精度の可変速駆動および定速度駆動がオープン・ループで行え、容易で安価な交流電動機を提供するものである。
【０００７】
本発明は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、該回転子の表面に固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を該回転子の実質的に殆んどの表面を覆うように装着したことを特徴とする。    
本発明は、前記実質的に殆んどの表面を覆うように装着した永久磁石を円弧状又は円筒形に構成しことを特徴とする。    
本発明は、前記実質的に殆んどの表面を覆うように装着する永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、回転子に接着したことを特徴とする。
本発明は、前記円弧状又は円筒形永久磁石がスキューしていることを特徴とする。
本発明は、前記円弧状又は円筒形永久磁石を、該円弧状又は円筒形永久磁石の装着部分を予めカットした回転子鉄心を作成して、アルミニウムダイカストを行い、回転子表面に装着固定したことを特徴とする。
本発明は、交流電動機が、誘導電動機であることを特徴とする。
本発明は、交流電動機が、単相誘導電動機であることを特徴とする。
本発明は、交流電動機が、３相誘導電動機であることを特徴とする。
本発明は、交流電動機が、同期電動機であることを特徴とする。
本発明は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、該回転子に実質的に殆んどの表面を覆うように固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を装着する交流電動機の製造方法において、該永久磁石を回転子表面に装着することを特徴とする。
本発明は、交流電動機の回転子の製造方法において、前記永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、該永久磁石を回転子表面に接着することを特徴とする。
本発明は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻かれた分布巻線又は集中巻線よりなる固定子巻線と、かご形又は巻線形導体よりなる回転子とを具えた交流電動機において、該回転子に実質的に殆んどの表面を覆うように固定子の磁極数と同じ磁極数を有する永久磁石を装着する交流電動機の製造方法において、該永久磁石を装着する部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作製し、アルミニウムダイカストを行い、該永久磁石を回転子表面に装着することを特徴とする。
本発明は、交流電動機の回転子の製造方法において、前記永久磁石を円弧状又は円筒形に構成し、該永久磁石を回転子表面に接着することを特徴とする。
本発明は、交流電動機の回転子の製造方法において、前記円弧状又は円筒形永久磁石がスキューしていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
従来形交流電動機である誘導電動機は、負荷時にすべりを生じて回転し、回転子電流が流れるのでトルクが発生する。しかし負荷に応じてすべりが変化するので定速度駆動が不可能であり、回転子電流が流れるので電力の損失となり、温度上昇の原因となる欠点があった。
本発明によるかご形又は巻線形導体よりなる回転子を具えた交流電動機においては、回転子導体の表面に円弧状又は円筒形永久磁石を装着するために切削加工が容易であり、また円弧状又は円筒形永久磁石の装着部分を予めカットした回転子鉄心を作成してアルミニウムダイガストを行って、円弧状又は円筒形永久磁石を回転子表面に容易に装着することができ、永久磁石付回転子は、電源周波数に同期して回転するので回転子導体には電流が流れないので高効率化、高出力化、高トルク化、小形化、温度上昇の低減化がはかれる。さらに回転子表面に装着した 円弧状又は円筒形永久磁石は回転中に空冷されて、温度上昇を低減できる。このように回転子表面に円弧状又は円筒形永久磁石を設けて非突極機にし、円弧状又は円筒形磁石にスキューを行い、コギングトルクの発生を低減化させている。
【０００９】
さらにブラシレスD Cモータで使用されるエンコーダと速度センサが不要であり、三相電源にじか入れして始動を行い、電源周波数の同期速度での定速度駆動が容易で安価に提供できる。またインバータ装置を使用することによりインバータの指令周波数を操作し、可変速駆動と定速度駆動を市販のブラシレスD Cモータよりも容易かつ安価に提供できる。
また回転子導体には負荷変動に伴う速度の変動を抑制するダンパ効果が作用し、可変速駆動や定速度駆動を円滑に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
かご形又は巻線形導体を有する交流電動機の回転子の表面に、スキューした円弧状又は円筒形永久磁石を装着することにより、三相じか入れ始動後に電源周波数に同期して円滑に回転し、またインバータ装置の指令周波数に同期してオープン・ループで円滑に回転することができ、市販のブラシレスD Cモータよりも容易かつ安価に提供できる。効率を最大9 1％ で駆動することができ、出力が3 0 0％ までの過負荷時においても、正確に同期速度で回転し、高効率化、高出力化、高トルク化、小形化がはかれる。この交流電動機は、同期速度で回転しているので回転子導体には電流が流れず、さらに円弧状又は円筒形永久磁石は回転子表面にあるので、回転中に空冷され、円弧状又は円筒形磁石のより一層の温度上昇の低減化がはかれる。電源周波数またはインバータの指令周波数に同期して回転している場合には、電源周波数または指令周波数から電動機の回転速度が演算されるので速度センサレスとすることができる。
回転子導体には負荷変動に伴う速度の変動を抑制するダンパ効果が作用し、可変速駆動や定速度駆動を円滑に行うことができる。
【実施例】
【００１１】
以下、図１ 、図２ 、図３ および図４ により、本発明の実施例を説明する。
図１ は、本発明による交流電動機の回転子に回転子導体と永久磁石を有する回転子の断面図であり、１ は、スキューした円弧状永久磁石、２ は、回転子の導体を、図１ は、磁極数４ の円弧状永久磁石の配置図を示す。
図１ において、  回転子導体を有する交流電動機の回転子表面に交流電動機の極数分だけのスキューした円弧状永久磁石を設けるために、先ず、回転子表面を円弧状磁石の厚さ分だけ切削加工し、永久磁石を所定の位置に接着する。
【００１２】
実施例の交流電動機は、３相誘導電動機であり、定格電圧2 0 0V、  定格電流1 . 0 5A、周波数5 0 H z、定格出力2 0 0W、定格回転数1 4 0 0 m i n −１、回転子直径6 5 m m、  スロット数4 0である。図１ の導体の高さ３ は、9 . 5 m mであり、回転子表面に装着する円弧状磁石の厚みは、2 . 5 m mであり、その厚み分だけ回転子の表面を切削加工している。  図１ の極間４ は、1 m m、回転子軸方向の永久磁石の長さは、5 0m mである。
【００１３】
また円弧状又は円筒形永久磁石の装着に当たっては、回転子の表面を磁石の厚さ分だけ切削加工して、接着する方法に代えて、永久磁石装着部分をあらかじめカットした回転子鉄心を作成して、アルミニウムダイカストを行って、回転子表面に装着することもできる。
【００１４】
図２ は、図１ の回転子導体と永久磁石とを有する回転子から構成された交流電動機の回路図であり、回転子導体と永久磁石とを有する回転子５ は、非突極性を示している。図２ において、RS  は、固定子巻線６ の各相抵抗をLa 、Lb、 Lcは、固定子巻線６ の各相自己インダクタンスを、
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は、固定子巻線６ の各相電流を、
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は、回転子導体のd軸電流７とq軸電流８ を、
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は、a相の固定子巻線軸と永久磁石のd軸間の角度位置（ 電気角）と回転子の電気的角速度を表す。
図２ の回路図から、回転子に回転子導体と永久磁石とを有する交流電動機の発生トルク式を導出することができ、次式となる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
( 1 )式において、τe(t)は、発生トルクを、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、比例定数を、ΨＰｍは、永久磁石の最大磁束を表す。
( 1 )式の第1項は、永久磁石により発生するマグネットトルクを、第2項は、d軸の回転子導体に発生する誘導トルクを、第3項は、q軸の回転子導体に発生する誘導トルクを表す。
さらに、( 1 )式をd、q軸座標上に変換し、その変換した発生トルク式を(2 )式に示す。
【００１７】
【数２】
2006101623.tif 000007
【００１８】
( 2 )式において、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６は、比例定数を、
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は、固定子巻線６ の各相電流をd、q軸に座標変換したd軸電流とq軸電流を表す。
( 1 )式と同様に、( 2 )式の第1項は、マグネットトルクを、第2項は、d軸の回転子導体に発生する誘導トルクを、第3項は、q軸の回転子導体に発生する誘導トルクを表す。
【００１９】
図３ は、本発明に係る回転子に回転子導体と永久磁石とを有する交流電動機の駆動装置の構成を示す。９ は、回転子に回転導体と永久磁石とを有する交流電動機１ ３ をじか入れ始動するための三相電源の供給配線である。１ ３ の交流電動機に三相電源を直接印加し、電源周波数の同期速度までじか入れ始動を行う。この始動時に、図１ に示す回転子導体２ に誘導電流が生じ、図２ に示す回転子導体のd、q軸電流によって( 1 )式および( 2 )式の各第2項と第3項の誘導トルクが発生するので電源周波数の同期速度まで始動が可能となる。同期速度では( 1 )式および(2 )式の各第1項のマグネットトルクにより定速度駆動が可能となる。このように始動がなされ同期速度での定速度駆動が容易で安価に提供できる。また、負荷変動に伴い速度が変動する場合には、回転子導体２ （ 図１ ） に誘導電流が生じ、回転子導体のd、q軸電流（ 図２ ） により( 1 )式および( 2 )式の各第2項と第3項の誘導トルクが発生する。誘導トルクは、速度変動を抑制するダンパ効果として作用し、可変速駆動や定速度駆動の円滑な駆動が容易で安価に提供できる。
図３ の１ ０ は、インバータ装置１ １ の指令周波数であり、１ ２ は、インバータ装置１ １ を電源として交流電動機１ ３ に電力を供給する電力供給線である。インバータ装置１ １ は、指令周波数１ ０ に関して可変電圧と可変周波数の変換装置と回転速度の演算と表示の機能を備えており、交流電動機に用いられている市販のインバータ装置の機能が供えている。指令周波数１ ０ をインバータ装置１ １ に入力する。インバータ装置１ １ では、指令周波数１ ０ により、V / f制御がなされ、電力供給線１ ２ を通して交流電動機１ ３ に電力を供給する。V/ f制御により、交流電動機１ ３ を始動させ、指令周波数１ ０ を一定に保てば定速度駆動が、また指令周波数１ ０ を可変すれば可変速駆動が行える。
このように三相じか入れ始動時に( 1)式と( 2 )式の各第2項と第3項が誘導トルクとして作用し、同期速度まで始動する。電源の周波数９ またはインバータ装置の一定の指令周波数１ ０ で回転している場合には( 1 )式と( 2 )式の各第1項のマグネットトルクによって、同期速度で回転し定速度駆動が行える。
【００２０】
【表１】
2006101623.tif 000009
【００２１】
表１ は、  永久磁石を装着する前の従来形交流電動機である誘導電動機を三相電源（ 2 0 0V、5 0 H z） にじか入れ始動後に負荷試験を行い、その結果を示している。表１ より、最大効率は、7 2％ であり、定格出力2 0 0Wで固定子電流が1. 0 5 7A、すべりが0 . 0 6生じており、定速度駆動は不可能である。
定格電流の1. 0 5Aで、トルクは1. 3 4N・mの値となる。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
表２ は、スキューした円弧状永久磁石を交流電動機である誘導電動機の回転子に装着した永久磁石付誘導電動機を三相電源（ 2 0 0V、5 0 H z） にじか入れ始動し、電源周波数の同期速度における定速度駆動時の負荷試験の結果を示している。表２ より最大効率は、9 1％ であり、表１ の従来形誘導電動機の最大効率より1 9％ 向上する。
また定格出力2 0 0Wで固定子電流が約0 . 7 Aとなり、定格電流1 . 0 5Aの約6 7％ に減少する。定格電流1 . 0 5Aの時に出力が約3 1 4 Wとなり、表１ の従来形誘導電動機の約1 . 6倍の出力が可能である。さらに回転速度は定格出力の約3倍においても、同期速度1 5 0 0 m i n −１  の一定値に保たれている。定格電流1 . 0 5Aでトルクは2 N・mの値となり、同じ定格電流において表１ の従来形誘導電動機よりも0 . 6 6 N・m増加する。
【００２４】
温度上昇試験については、  表１ の負荷試験で使用した従来形交流電動機である誘導電動機では、トルクが1. 2 7N・mで、出力約1 8 8Wを6 0分連続運転で負荷した場合に、室温2 8℃ において電動機ケースの出力側が6 1 .6℃ 、電動機ケースの中央部が7 1 .8℃ 、電動機ケースの後部が6 4 . 0℃ の各値であり、飽和を示さず上昇している。  表２ の負荷試験で使用した永久磁石付誘導電動機ではトルクが同じ1 . 2 7N・mで、出力約1 9 9Wを6 5分連続運転で負荷した場合に、室温2 6 .3℃ において、電動機ケースの出力側が4 6 . 4℃ 、電動機ケースの中央部が5 1 .2℃ 、電動機ケースの後部が4 3 .9℃ の各値であり、飽和を示している。このように本発明の永久磁石付誘導電動機は、室温を考慮して、ケースの出力側で13.5℃ 、ケース中央で18.9℃ 、ケースの後部で18.4℃ の各値で、従来形誘導電動機より温度が減少している。上記実施例では、スキューした永久磁石を具えたものについて、説明したがスキューを省略しても良い。
図４に示される回転子は、永久磁石を円筒形に構成した実施例である。この場合もスキューを施しても、施さなくても良い。
【００２５】
以上、主として回転子に回転子導体と永久磁石とを有する三相誘導電動機について、説明したが、三相交流電動機はもとより、単相誘導電動機、２ 相誘導電動機、および多相誘導電動機についても適用できることは、勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
従来から利用されている交流電動機およびブラシレスD Cモータの可変速駆動と定速度駆動の分野において、回転子導体を有する交流電動機の回転子表面に、スキューした円弧状ま又は円筒形永久磁石を装着することにより、電源周波数やインバータ装置の任意の周波数に同期してオープン・ループで、騒音と振動の少ない円滑な回転ができ、高効率化、高出力化、高トルク化、小形化およびセンサレス化にすることができ、容易で安価な可変速駆動および定速度駆動の用途に誘導電動機の提供が可能となる。
回転子電流による電力の損失が少なくなり、温度上昇が減少し、高効率化がはかれるので省電力モータとして利用が可能となる。
回転子導体には負荷変動に伴う速度の変動を抑制するダンパ効果が発生するので、円滑な可変速駆動や定速度駆動の利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る交流電動機の回転子の断面図であり、磁極数４ の場合の一実施例を示す図
【図２】本発明に係る交流電動機の回路図
【図３】本発明に係る交流電動機の駆動装置の一実施例を示す図である。
【図４】本発明に係る他の実施例の円筒形永久磁石を具えた回転子の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 円弧状永久磁石
２ 回転子の導体
３ 回転子導体の高さ
４ 極間の間隙
５ 表面に永久磁石を装着した回転子
６ 固定子巻線
７ 回転子導体に流れるd軸電流
８ 回転子導体に流れるq軸電流
９ 三相電源の電力供給配線
１ ０ 周波数の指令値
１ １ インバータ装置
１ ２ インバータ装置からの電力供給配線
１ ３ 交流電動機
１４  円筒形永久磁石
【図１】
2006101623.tif 000011
【図２】
2006101623.tif 000012
【図３】
2006101623.tif 000013
【図４】
2006101623.tif 000014